De flesta stjärnor faller in i en kategoriseringsklass som kallas huvudsekvensen, även känd som dvärgstjärnor. I ett standarddiagram som plottar stjärnfärg mot magnitud, känt som Hertzsprung-Russell-diagrammet, bildar huvudsekvensstjärnorna en sammanhängande kurva, till skillnad från de andra kategorierna – vita dvärgar, underjättar, jättar, ljusa jättar och superjättar. Även om det vanligtvis inte ingår i diagrammet, kan svarta hål, som är gravitationsmässigt kollapsade stjärnor, betraktas som punkter på diagrammet med noll ljusstyrka och en spektral signatur på 0° K.
Anledningen till att huvudsekvensstjärnorna faller på en förutsägbar kurva är att deras ljusstyrka och spektrala signaturer dikteras enbart av deras massa, som sträcker sig från 0.08 till cirka 158 solmassor. Vita dvärgar, stjärnor som har tömt sitt kärnbränsle, har liknande spektrala signaturer som huvudsekvensstjärnor, men mycket mindre ljusstyrka. Detta beror på att de inte smälter samman element eller har en pågående energikälla – deras ljusstyrka och värme är överbliven. Under loppet av miljarder år förväntas det att vita dvärgar kommer att svalna och bli svarta dvärgar, eller livlösa stjärnhulkar. Men ingen vit dvärg har funnits tillräckligt länge för att detta ska hända ännu.
Huvudsekvensstjärnor delas in i flera kategorier: bruna dvärgar, med endast cirka 0.08 solmassor, är i grunden överdimensionerade Jupiters med svaga fusionsreaktioner i sina kärnor; röda dvärgar är något varmare och mer energiska, med större massa; dessa följs av gula dvärgar, mycket vanliga stjärnor som vår sol är ett exempel på.
När stjärnor bränner upp allt sitt kärnbränsle i form av väte börjar de smälta samman helium. Eftersom gamla stjärnor börjar bygga upp en solid kärna av sammansmält material, komprimerar de kraftfulla gravitationskrafterna på kärnans omkrets gaslagren ovanför, vilket accelererar sammansmältningen och ökar en stjärnas ljusstyrka och storlek. Genom denna utvecklingsväg blir dvärgstjärnor jättar. Beroende på deras massa kollapsar de så småningom till vita dvärgar, neutronstjärnor eller svarta hål. De mer massiva stjärnorna orsakar supernovor, som är enorma explosioner av energi som försvinner när fusionen upphör i stjärnkärnan och gaslagren gnuggar kraftigt mot en annan under den slutliga kollapsen.